参考电压对电阻型传感器的采样影响

suzuki

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目前软件经常有一个比较大的疑问就是，对于NTC电阻或者电阻型传感器的采样，当外部的5V参考电压发生变化的时候，我的ADC采样得到的电压是否可信，为了更好的解释这个问题，分为几个方面介绍一下ADC采样。

一

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ADC的类型

第一节ADC类型内容引用自知乎文章，原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/258434654

目前应用比较广泛的ADC有逐次逼近型（SAR）和Sigma Delta型（Σ-Δ）型两种。

其中SAR类型使用数字电路控制DAC输出一个变化的电压，并用此电压和输入电压比较，经过多次比较逐渐使DAC输出接近输入电压，从而得出数字输出。目前我们单片机内部用到的ADC基本上都是这种类型的。这种类型的ADC在12位精度以内的时候价格比较便宜，超过12位就很贵了。

工作原理举例：假设ADC参考电压为5V，输入电压为3.2V。

压控寄存器最高位置为1，其余位为0，DAC输出参考电压一半2.5V，输入3.2 > 2.5,比较器输出1，压控寄存器最高位1保留。然后次高位置1，DAC输出3.75V，此时3.2V < 3.75V,比较器输出0，压控寄存器次高位置0。之后与3.125V比较得到1，与3.4375V比较得到0。这样如果是8位ADC，最后就得到数字输出10100011。



Sigma Delta型的工作原理稍微复杂一点，工作过程如下：输入电压减去DAC输出后的差值经过积分器后和0V电压比较，如果大于等于0V输出1，否则输出0。以一定的频率控制比较器输出形成比特流，控制DAC输出电压，1控制DAC输出+Vref参考电压，0控制DAC输出-Vref参考电压。当DAC在比较器输出的比特流控制下高速切换时，类似于PWM在输出端产生一个平均电压。容易看出，全1的比特流对应的平均电压为+Vref，全0的比特流对应的电压为-Vref，如果1和0各占一半，那么对应的电压是0V。

当平均电压Vadc小于输入Vin时，趋向于输出更多的1来增大Vadc。当平均电压Vadc大于Vin时，趋向于输出0来减小Vadc。这样一个合适的1，0比率的比特流会使Vadc最接近Vin，达到平衡状态。后级的数字滤波和裁决器从1，0的比率就可以推断出输入电压Vin的大小。



二

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单片机ADC模块的供电

以英飞凌的TC3XX系列为例，ADC模块的参考电压为VAREF1，另外MCU还有很多其他电源输入管脚，有给ADC模块供电的管脚，有给内部flash供电的1.25V管脚（一般通过内部LDO转换得到，管脚仅用于连接滤波电容） ，还有给到震荡电路的5V等等。



以上面贴图的单片机为例，单片机是单5V供电，给到VAREF的电压也是通过电源芯片的5V给过来的，只是在中间加了一个磁珠用于滤波。因此给到MCU的ADC参考电压其实就是一个普通的5V而已，电源的输入范围在4.9V~5.1V之间。并且MCU的其他电源口也能接受这个电源输入的波动，对其工作没有影响。



三

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外部传感器的供电拓扑

对于一般的ECU来说，外部会接很多其他的附件，包括一些NTC电阻或者需要5V供电的电阻型传感器，对于NTC电阻型的输入，其上拉电源比较好解决，一般再通过一个磁珠直接连到VAREF上去。而对于需要5V供电的传感器，则需要ECU提供5V参考电源，而这个参考电源肯定是需要满足ECU整体的短路测试要求的，那就不能直接将VAREF连接到ECU外部给到其他传感器来使用。

因此在进行电源设计的时候，需要设计一个Tracking电源，用于给到外部的传感器，Tracking可以理解为一个电压跟随器，因此Track输出的电压能够很好的跟随VAREF，方便理解就是Tracking输出的电压跟VAREF一直保持一致。

而当输出给到外部的Tracking电压出现短路或者负载过大造成电压变化，也不会影响到VRAEF。



因此对于需要外部供电的传感器的电路拓扑，就可以简化成下面SENSOR这个样子。用于计算电阻分压的上拉电压为5V-VAREF。而对于NTC类型的外部附件，其内部上拉电压就是VAREF。



假如软件开发中选择的参考电压是5V，AD是12位的，AD的每一位对应的电压就是5V/4096=1.22mV。那么当你的输入电压是大于或者等于5V的时候你的单片机的寄存器显示应该是4095，如果输入是0V的输入那单片机寄存器的值就是0 。

但是在这种应用的情况下，参考电压的精度就变的不是非常重要了，假设电源输出的电压因为硬件差异变成了5.1V，那AD对应的每一位的电压就是5.1V/4096=1.245mV。如果Sensor或者NTC刚好分压之后是参考电压的一半，也就是2.55V，这样在单片机内部解析出来的ADC值就是2550/1.245=2048。

但是在软件的计算中，它还是认为每一位ADC对应的电压是1.22mV，那么上报上来的电压就是2.5V。也就是实际输入2.55V，检测到的却是2.5V，那这对我们的NTC采样有没有影响呢？实际上也是没有影响的。

以10K上拉为例，假设这时候NTC也是10K。那么参考电压是5.1V，ADC端口的实际采集电压是2.55V，但是软件上报的是2.5V。

再看一下NTC电路的计算公式，在软件内部，根据欧姆定律有：5V*（NTC/（10K+NTC））=VADC，解方程NTC=10*VADC/（5-VADC）。VADC是已知的2.5V，计算出来NTC=10K，然后通过倒查R-T表，就能得到正确的温度了。

对于电阻型的外部传感器，原理也是一样的，这种传感器一般是以开度，或者行程与内部的电阻呈线性关系。假设该传感器是一个全范围阻值为10K的滑动变阻器，30%开度对应的就是该电阻传感器输出电压是30%*VAREF，那么就与NTC电阻一样的计算公式。VAREF变化的时候，传感器的输出电压也是呈比例的变化，最终计算得到的开度或者行程也与实际情况一致。

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总结
      这种电源的拓扑设计，能够很好的避免因为电源芯片自身输出电压的变化而造成电压采样的变化，然而如果对于纯粹的电压信号的采集，可以通过减小参考电压来提高采样的分辨率，能够在一定程度上减小采样误差。但是这种设计没有办法避免因为外部原因导致参考电压变化带来的影响，所以一旦出现外部的干扰源足够影响到采样，那么诊断电路就必不可少了。

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